Ushbu tadqiqot, Lactobacillus plantarum (Lp) hujayralarini whey protein isolate nanofibrils (WPNFs) bilan oldindan himoyalab, W1/O/W2 suv-yog‘-suv qo‘sh emulsiyasining ichki suv fazasiga joylashtiradigan va probiotik yuklangan ushbu emulsiyani koaksial 3D oziq-ovqat bosmasida ichki yadro sifatida ishlatadigan funksional pishloq ishlab chiqarish yondashuvini o‘rganadi. W1/O/W2 qo‘sh emulsiyasi probiotik joylashgan W1 ichki suv fazasini yog‘ qatlami bilan o‘rab, bu tuzilmani ikkinchi tashqi suv fazasi W2 ichida taqsimlaydigan ko‘p qatlamli enkapsulyatsiya tizimidir. Optimallashtirilgan tizimda %4,0 PGPR, %50 W1, %60 yog‘ fazasi va tashqi fazada %5,0 WPI ishlatilgan; emulsiyada Lp yashovchanligi 4 °C da 14 kun oxirida %90,44 darajada saqlangan. Koaksial bosmada emulsiya ichki yadro, WPNF bilan modifikatsiya qilingan F20 qayta ishlangan pishloq esa tashqi tuzilma sifatida ishlatilgan; bosilgan namunalarda probiotik miqdori taxminan 6,78–8,06 log10 CFU/g oralig‘ida qolgan va shakl og‘ishi 14 kun oxirida atigi −%3,5 ± 1,5 bo‘lgan. Natijalar qo‘sh emulsiya va koaksial 3D bosma probiotik hujayralarni mexanik va atrof-muhit stressidan himoya qila oladigan oziq-ovqat muhandisligi tizimini ta’minlashi mumkinligini ko‘rsatadi; biroq tadqiqot laboratoriya miqyosida bo‘lib, klinik sog‘liq ta’siri yoki sanoat ishlab chiqarish muvaffaqiyatini sinamaydi.

W1/O/W2 Qo‘sh Emulsiyasi Nima?

W1/O/W2 qo‘sh emulsiyasi kichik ichki suv tomchilari avval yog‘ fazasida kapsullanadigan, hosil bo‘lgan W1/O tomchilari esa keyin ikkinchi tashqi suv fazasi W2 ichida tarqatiladigan ko‘p bo‘lmali emulsiya tizimidir; ushbu tadqiqotda probiotik Lactobacillus plantarum hujayralari eng ichki W1 fazasiga joylashtirilib, yog‘ qatlami va tashqi faza orqali atrof-muhit stressidan jismonan ajratilgan.

Bu tuzilmaning asosiy afzalligi gidrofil biologik komponentning tashqi oziq-ovqat matritsasi bilan bevosita aloqasini cheklay olishidir. Tadqiqotda bu xususiyat nafaqat saqlash, balki ingichka koaksial nozuldaki mexanik kesish kuchi, harorat va keskin pH sharoitlaridan himoya qilish uchun ham qo‘llangan.

Nega probiotik bevosita pishloqqa aralashtirilmagan?

Manba Cheddar pishlog‘i probiotik tashuvchi sifatida mos bo‘lishi mumkinligini, ammo probiotiklarning pishloq matritsasi bilan bevosita aloqasi oqsil gidrolizi va aroma o‘zgarishlari kabi sifat muammolariga olib kelishi mumkinligini bildiradi. Koaksial bosma yondashuvining mantiqi probiotikni ichki yadroda ushlab, pishloq qobig‘ini himoya qiluvchi tashqi tuzilma sifatida ishlatishdir.

Shuning uchun tizim bir vaqtning o‘zida ikki alohida muhandislik muammosini hal qilishga urinadi:

• probiotikni tirik saqlay oladigan ichki fazani yaratish,
• 3D bosmadan keyin shaklini saqlay oladigan pishloq tashqi fazasini ishlab chiqish.

Whey Protein Nanofibrillari Probiotiklarni Qanday Himoya Qiladi?

WPNFs pH 2,0 sharoitida musbat zaryadlanadigan whey protein nanofibrillari bo‘lib, manfiy zaryadlangan Lactobacillus plantarum yuzasi bilan elektrostatik o‘zaro ta’sirga kirishib, bakteriya atrofida fizik oqsil to‘sig‘ini hosil qiladi; TEM tasvirlari bu nanofibrillarning bakteriya yuzasiga birikishini ko‘rsatadi.

WPNF tayyorlash

%5,0 (w/w) WPI eritmasi pH 2,0 ga sozlandi va 30 daqiqa magnit usulda aralashtirildi. Eritma keyin 4 °C da 9000 r/min tezlikda 15 daqiqa sentrifugalanib, 0,45 μm filtrdan o‘tkazildi.

Filtrat 80 °C da, 200 rpm da 10 soat ushlab turildi. Natijada WPI oqsillarining fibrillyar tuzilmalar hosil qilishi ta’minlandi.

Probiotikni WPNF bilan qoplash

Lactobacillus plantarum 1.0665 ning boshlang‘ich yashovchan hujayra soni 9,26 log10 CFU/mL deb berilgan. Hujayralar MRS suyuq muhitida 37 °C da 24 soat faollashtirilgan; sentrifugalash, fosfat buferi bilan yuvish va CaCl2 da qayta suspenziyalash bosqichlaridan so‘ng Lp eritmasi WPNF eritmasiga 1:49 (v/v) nisbatda qo‘shilgan.

Aralashma 15 daqiqa vortekslandi va xona haroratida 1 soat ushlab turildi. TEM tasvirlarida nazorat bakteriyasi yuzasi silliq bo‘lgan bo‘lsa, WPNF qo‘llangandan keyin fibrillalar hujayra yuzasi atrofida aniq ko‘ringan.

Manba WPNF uchun +27,68 ± 1,52 mV va bakterial suspenziya uchun −0,38 ± 0,09 mV zeta potensialini qayd etadi. Ushbu qarama-qarshi zaryadlar WPNF–bakteriya o‘z-o‘zini tashkil etishini qo‘llab-quvvatlovchi elektrostatik mexanizmga mos keladi.

Qo‘sh emulsiyaning tuzilishi

Probiotik yuklangan ichki fazaga %5,0 (w/v) fruktooligosaxarid (FOS) qo‘shilgan. FOS bakteriyalarni saqlash davomida qo‘llab-quvvatlash maqsadida prebiotik komponent sifatida ishlatilgan.

Birinchi emulsifikatsiya bosqichida PGPR zaytun yog‘ida eritildi va Lp-WPNF saqlagan W1 fazasi ushbu yog‘ fazasiga qo‘shilib, yuqori kesishli gomogenizatsiya orqali W1/O emulsiyasi hosil qilindi.

Ikkinchi bosqichda W1/O emulsiyasi WPI saqlagan tashqi suv fazasi W2 bilan qayta gomogenizatsiya qilinib W1/O/W2 tuzilmasi hosil qilindi.

Qo‘sh Emulsiya Uchun Eng Maqbul Formulyatsiya Qanday Aniqlangan?

Tadqiqotda tomchi o‘lchami, zeta potensiali va saqlash barqarorligi birgalikda baholanib, W1/O/W2 tizimi uchun %4,0 PGPR, %50 ichki suv fazasi, %60 yog‘ fazasi va tashqi suv fazasida %5,0 WPI optimal sharoit sifatida tanlangan.

PGPR konsentratsiyasi

PGPR %2,0 dan %4,0 ga oshirilganda W1/O tomchi o‘lchami 1353,3 nm dan 139,8 nm gacha kamaygan. %5,0 PGPR da esa tomchi o‘lchami yana 545,6 nm gacha oshgan.

%4,0 PGPR ishlatilgan emulsiyaning zeta potensiali −35,25 mV deb qayd etilgan va keyingi tajribalar uchun shu konsentratsiya tanlangan.

Ichki suv fazasi nisbati

W1 nisbati %50 bo‘lganda W1/O tomchi o‘lchami minimal 69,08 nm ga yetgan. Yuqoriroq suv nisbatlarida mavjud emulsifikator miqdorining kengaygan interfeysni yetarli qoplay olmasligi kattaroq tomchilar hosil bo‘lishi bilan bog‘langan.

Yog‘ fazasi nisbati

W1/O/W2 emulsiyasida yog‘ fazasi %60 bo‘lganda tomchi o‘lchami 553,01 nm gacha kamaygan va bu sharoit keyingi tajribalar uchun tanlangan. %60–70 yog‘ fazasida saqlash vaqtida serum fazasi hosil bo‘lmagani bildirilgan.

WPI konsentratsiyasi

Tashqi fazada %5,0 WPI ishlatilganda tomchi o‘lchami 579,4 nm bilan minimumga yetgan. Pastroq oqsil darajasi interfeysning yetarli qoplanmasligi, yuqoriroq daraja esa oqsil agregatsiyasi yoki depletion flocculation ehtimoli bilan bog‘langan.

Mikroskopik tasdiqlash

CLSM tahlilida Lp DAPI bilan ko‘k, WPNFs Nile blue bilan yashil va zaytun yog‘i Nile Red bilan qizil tasvirlangan. Birlashtirilgan tasvirlarda ushbu signallarning emulsiya tomchilari ichida ustma-ust kelishi va tashqi W2 fazasida ko‘k bakterial signal bo‘lmasligi probiotikning ichki fazada ushlab turilganini qo‘llab-quvvatlaydi.

W1/O/W2 Tizimi Probiotik Yashovchanligini Qanchalik Saqladi?

W1/O/W2 qo‘sh emulsiyasi himoyalanmagan Lp hujayralariga nisbatan saqlash, harorat va keskin pH sharoitlarida ancha yuqori yashovchanlik ta’minlagan; 4 °C da 14 kun saqlash oxirida probiotik yashovchanlik %90,44 darajada saqlangan.

14 kunlik saqlashda tirik hujayra darajasi 8,92 log CFU/g dan 8,48 log CFU/g gacha pasaygan. Bunga qarshi, himoyalanmagan nazorat guruhidagi pasayish ancha katta bo‘lgan.

Tadqiqot shuningdek qo‘sh emulsiyaning o‘rta yog‘ qatlami tashqi suv fazasidagi kislota yoki ishqorning W1 ichki fazasiga yetib borishini cheklab, pH stressiga qarshi fizik to‘siq hosil qilishini ilgari suradi.

Manbada bu yerda kichik, ammo muhim hisobot nomuvofiqligi mavjud: metod qismida pH stress testlari pH 2,0 va 11,0 deb berilgan bo‘lsa, 4-rasm va natijalar matnida pH 2,0 va 12,0 ko‘rsatilgan. Shu sabab qaysi ishqoriy sharoit amalda qo‘llanganini PDF asosida aniq belgilab bo‘lmaydi.

Issiqlikdan himoya

Metod bo‘limida sinov sharoitlari 65 °C da 30 daqiqa va 90 °C da 15 soniya deb berilgan. Natijalar matnida esa bir jumlada nazorat guruhining “60 °C da 30 daqiqa”dan keyin %9,87 yashovchanlik ko‘rsatgani yozilgan. Bu harorat qiymati metod va 4-rasmga mos kelmaydi; bu yerda ma’lumot yashirincha tuzatilmagan.

Xuddi shu jumla W1/O/W2 emulsiyasida yashovchanlik %73,53 bo‘lganini qayd etadi. Umumiy eksperimental yo‘nalish qo‘sh emulsiyaning termal stress ostida himoyalanmagan hujayralarga qaraganda yuqoriroq yashovchanlik ta’minlashini qo‘llab-quvvatlaydi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Ichki yadroning reologiyasi

Koaksial 3D bosmada ichki yadro 0,4 mm diametrli ingichka nozuldан oqib o‘tishi kerakligi sabab past viskozlik va shear-thinning xatti-harakati muhim.

%60 va %70 yog‘ fazali W1/O/W2 emulsiyalarining ko‘rinma viskozligi shear rate oshgani sayin keskin kamaygan. Bu shear-thinning xatti-harakati material nozuli ichida oqimchanlashishi mumkinligini ko‘rsatadi.

Butun chastota oralig‘ida saqlash moduli \(G'\), yo‘qotish moduli \(G''\) dan yuqori bo‘lib qolgan. Bu holat emulsiya oqimchan bo‘lsa ham, sezilarli elastik/yarim qattiq tarmoq xarakteriga ega ekanini ko‘rsatadi.

%60 yog‘ fazali emulsiya %70 likka qaraganda pastroq modul va viskozlik ko‘rsatgani uchun ingichka koaksial nozul nuqtai nazaridan mosroq deb topilgan.

Tashqi yadro: F20 qayta ishlangan pishloq

Sof Cheddar pishlog‘i bevosita bosma uchun juda qattiq deb baholangan. Shu sabab eritilgan Cheddar ga %5 WPNF eritmasi turli nisbatlarda qo‘shilib, F10, F20, F30 va F40 namunalari tayyorlangan.

F20 — %20 WPNF eritmasi fraksiyasi ishlatilgan qayta ishlangan pishloq formulyatsiyasidir. Bu ta’rif yakuniy pishloq quruq moddasida %20 sof WPNF bor degani emas.

Dinamik shear recovery sinovlarida past strain (%1) statik holatni, yuqori strain (%200) esa nozul ichidagi oqim sharoitini ifodalagan. Yuqori strain ostida \(G'\) va \(G''\) tez pasaygan; strain yana %1 ga tushirilganda modullar tez tiklangan.

F20 tadqiqotchilar tomonidan ekstruziya osonligi bilan bosmadan keyingi strukturaviy tiklanish o‘rtasida eng maqbul muvozanatni ta’minlagan formulyatsiya sifatida tanlangan.

Haroratning tashqi yadroga ta’siri

Pishloq namunalari 25–70 °C oralig‘ida tekshirilgan. \(G'\) va \(G''\) avval oshgan, taxminan 35 °C atrofida maksimumga yetgan va keyin pishloq yog‘ining erishi hamda oqsil matritsasining yumshashi bilan pasaygan.

Bosma uchun tashqi yadro 45 °C da ekstrudirovka qilingan.

F20 ning bosma samaradorligi

6-rasmda Cheddar va F10 bosmalarida uzilishli chiziqlar va qo‘pol sirt ko‘ringan bo‘lsa, F20 va F30 uzluksizroq chiziqlar hosil qilgan. F40 esa haddan tashqari yumshoq bo‘lgani uchun shaklini yetarlicha saqlay olmagan.

F20 yordamida bosilgan atirgul modeli silliq sirt, aniq chegaralar va uch o‘lchamli shaklning saqlanishini ko‘rsatgan. Manba ushbu namunaning o‘lchamlarini 51,41 mm uzunlik, 44,91 mm kenglik va 39,20 mm balandlik deb beradi.

Nega Koaksial 3D Bosma Gibrid Bosmaga Qaraganda Muvaffaqiyatliroq Bo‘ldi?

Koaksial 3D bosma past viskoziteli probiotik emulsiyani va shaklni ushlab turuvchi pishloq matritsasini bir-biriga aralashtirish o‘rniga alohida ichki va tashqi oqimlar holida bir vaqtda ekstrudirovka qilgani sabab, probiotik yuklamani oshirar ekan, tashqi pishloq tuzilmasining mexanik tayanchini saqlay olgan.

Gibrid bosma

Gibrid usulda W1/O/W2 emulsiyasi Cheddar pishlog‘iga bevosita %3, %5 yoki %7 nisbatda aralashtirilgan.

%3 va %5 emulsiya saqlagan materiallar ekstrudirovka qilina olgan, ammo bosilgan kubiklar tez deformatsiyalangan. Pastki qismlar kengayib, markaz cho‘kkan.

%7 emulsiya saqlagan aralashma esa ustma-ust yotqizilgan qatlamlarni ushlab turolmagani sabab muvaffaqiyatli bosilmagan.

Koaksial bosma

Koaksial tizimda ichki nozul diametri 0,4 mm, ichki emulsiya oqim tezligi 0,08 mL/min qilib belgilangan. Tashqi nozul diametri 1,05 mm, pishloq bosma tezligi esa 25 mm/s.

F20 tashqi material 45 °C da, W1/O/W2 ichki fazasi esa xona haroratida bir vaqtda ekstrudirovka qilingan.

Manbada oziq-ovqat bo‘yoqlari bilan qizil rangga bo‘yalgan ichki emulsiyaning tashqariga sizib chiqmasligi tashqi F20 qatlamining ichki yadroni muvaffaqiyatli o‘rab olganiga vizual dalil sifatida keltirilgan.

Shakl aniqligi

Koaksial namunalarda 14 kun oxirida faqat yengil chekka kichrayishi kuzatilgan; gibrid namunalarda ko‘rilgan taglikning yoyilishi yoki qatlam cho‘kishi kuzatilmagan.

3D Bosma Probiotik Hujayralarni O‘ldirdimi?

Himoyalanmagan probiotik hujayralar 0,4 mm ichki nozul ishlatilganda sezilarli yashovchanlik yo‘qotgan bo‘lsa, W1/O/W2 emulsiyasi bilan kapsullangan hujayralarning gibrid va koaksial bosmadan keyingi yashovchanligi %95 dan yuqori bo‘lib qolgan; bu natija emulsiyaning ekstruziya shear stressiga qarshi muhim himoya rolini ko‘rsatadi.

Probiotik eritmasi to‘g‘ridan-to‘g‘ri 0,4 mm koaksial nozuldan o‘tkazilgan nazorat guruhida yashovchanlik atigi %55,23 deb berilgan.

Bunga qarshi W1/O/W2 bilan himoyalangan probiotiklarda gibrid va koaksial bosmaning yashovchanlik ko‘rsatkichlari o‘rtasida statistik jihatdan sezilarli farq topilmagan.

Saqlash oxirida bosilgan namunalarda tirik bakteriyalar soni **6,78–8,06 log10 CFU/g** oralig‘ida qolgan.

Manba buni probiotik oziq-ovqatlar uchun yetarli darajalar bilan taqqoslaydi; biroq bu mikrobiologik yashovchanlik natijasi mahsulot odamlarda klinik sog‘liq foydasi berishini bevosita isbotlamaydi.

Aromaning saqlanishi

Elektron burun tahlilida Cheddar, F20, koaksial probiotik pishloq va W1/O/W2 emulsiyasi taqqoslangan.

F20 va koaksial bosilgan mahsulotning radar profillari bir-biriga yaqin topilgan. Bunga qarshi ichki yadro emulsiyasining aroma profili aniq farq qilgan.

PCA tahlilida PC1 umumiy dispersiyaning %76,4 ini, PC2 esa %13,3 ini tushuntirgan. Shunday qilib, dastlabki ikki komponent birgalikda umumiy dispersiyaning %89,7 ini ifodalagan.

F20 va koaksial bosilgan namunalarning PCA fazosida bir xil klasterga yaqin joylashishi tashqi pishloq qatlami ichki emulsiyaning aroma ta’sirini niqoblay olishi haqidagi talqinni qo‘llab-quvvatlaydi.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan xulosalar

• WPNF, Lp hujayra yuzasida fizik himoya tuzilmasi hosil qilishi mumkin.
• Probiotik hujayralar W1/O/W2 qo‘sh emulsiyasining ichki suv fazasida ushlab turilishi mumkin.
• Optimallashtirilgan qo‘sh emulsiya 14 kun davomida yuqori Lp yashovchanligini saqlashi mumkin.
• W1/O/W2 tizimi harorat, pH va ekstruziya stressiga qarshi himoya berishi mumkin.
• F20 qayta ishlangan pishloq koaksial 3D bosmada mos tashqi tuzilma sifatida ishlatilishi mumkin.
• Koaksial bosma gibrid bosmaga nisbatan yuqoriroq geometrik barqarorlikni ta’minlagan.
• Koaksial bosilgan mahsulot 14 kunlik sovuq saqlashda past shakl og‘ishini ko‘rsatgan.
• Tashqi pishloq matritsasi ichki emulsiyaning aroma profilining yakuniy mahsulotga aks etishini kamaytirgan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlamaydigan xulosalar

• Mahsulotning odamlarda klinik sog‘liq foydasi ko‘rsatilmagan.
• Probiotiklarning ichakda kolonizatsiyasi ushbu tajribada o‘lchanmagan.
• Uzoq muddatli yaroqlilik muddati 14 kundan ortiq vaqt uchun tasdiqlanmagan.
• Sanoat miqyosidagi uzluksiz ishlab chiqarish sinovdan o‘tkazilmagan.
• Iste’molchi sensor paneli o‘tkazilmagan; aroma baholashi elektron burunga asoslangan.
• Iqtisodiy maqsadga muvofiqlik yoki tijoriy ishlab chiqarish xarajati hisoblanmagan.
• Koaksial bosma barcha pishloq formulyatsiyalarida bir xil muvaffaqiyat ko‘rsatishi isbotlanmagan.

Manba ichidagi noaniqliklar

Maqolada pH stress sharoitlari bo‘yicha 11,0 va 12,0 o‘rtasida, issiqlik stressi bo‘limida esa 60 °C va 65 °C o‘rtasida hisobot nomuvofiqliklari mavjud. Bundan tashqari, koaksial bosma o‘lchamlari dizayndan “sezilarli farq qilmaganini” bildiruvchi jumlada P<0,05 yozilishi statistik ifoda nuqtai nazaridan ichki ziddiyatdir. Verianla matni ushbu qiymatlarni yashirincha tuzatmaydi, manba ichidagi noaniqlikni ko‘rinadigan holda saqlaydi.

Manba va Usul Izohi

Asl sarlavha: Encapsulation of probiotics in W1/O/W2 emulsion for coaxial 3D printing probiotic-riched cheese products.

Mualliflar: Yupeng Qi, Yuhe Wang, Jiali Hu, Bo Song, Lei Zhang, Chunhong Liu va Jing Xu.

Teng birinchi mualliflar: Yupeng Qi va Yuhe Wang.

Mas’ul mualliflar: Chunhong Liu va Jing Xu.

Muassasalar: Northeast Agricultural University; Key Laboratory of Agricultural Functional Molecule Design and Utilization of Heilongjiang Province; Key Laboratory of Soybean Biology of Ministry of Education China; Heilongjiang Green Food Science Research Institute.

Platforma: SSRN.

SSRN Abstract No.: 6889393.

Manba turi: Eksperimental tadqiqot preprinti.

Taqriz holati: Taqrizdan o‘tmagan.

DOI: Manbada ko‘rsatilmagan.

Moliyalashtirish: Heilongjiang Provincial Postdoctoral Science Foundation.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar ma’lum moliyaviy manfaatlar to‘qnashuvi yoki tadqiqotga ta’sir qilishi mumkin bo‘lgan shaxsiy munosabat mavjud emasligini bayon qilgan.

Probiotik:Lactobacillus plantarum 1.0665.

Asosiy enkapsulyatsiya tizimi: WPNF bilan qoplangan Lp ni saqlovchi W1/O/W2 suv-yog‘-suv qo‘sh emulsiyasi.

Optimallashtirilgan emulsiya: %4,0 PGPR, %50 W1, %60 yog‘ fazasi va tashqi fazada %5,0 WPI.

Koaksial bosma: Ichki nozul 0,4 mm va 0,08 mL/min; tashqi nozul 1,05 mm; tashqi F20 pishloq fazasi 45 °C da va 25 mm/s bosma tezligida ekstrudirovka qilingan.

Tahlil usullari: TEM, CLSM, zeta potensiali va tomchi o‘lchamini o‘lchash, reologiya, 3D bosma geometriyasi, koloniya sanash, elektron burun va PCA.

Statistika: Tajribalar uchta alohida takrorda o‘tkazilgan, natijalar o‘rtacha ± standart og‘ish sifatida berilgan, ANOVA uchun SPSS V20.0 ishlatilgan va umumiy ahamiyatlilik darajasi p<0,05 deb ko‘rsatilgan.

Asosiy cheklov: Tadqiqot laboratoriya miqyosidagi bosma va 14 kunlik sovuq saqlash bilan cheklangan. Probiotik hujayralarning yashovchanligi ko‘rsatilgan bo‘lsa-da, klinik sog‘liq ta’siri, haqiqiy ovqat hazm qilish tizimidagi samaradorlik va sanoat miqyosi tasdiqlanmagan.